G35河東特大橋結構健康監測系統軟件設計

符洪生 梁柱

摘 要：河東特大橋是G35濟廣高速安徽段的一座重要橋梁，橋梁跨度大，結構復雜，為大橋建立一個長期健康監測系統，對掌握橋梁的安全使用狀況，確保大橋的安全運營和服務管養有非常重要的意義。本文介紹了河東特大橋健康監測軟件系統的設計過程，提出了一種基于DTU的通用數據采集程序，提升了系統的通用性和可擴展性。

關鍵詞：橋梁;監測;大數據;數據傳輸單元

1 概述

河東特大橋位于安徽省岳西縣響腸鎮無愁村外畈組，距岳西收費站11公里，全長1 010 m。橋梁起點樁號為K794+814 m，終點樁號為K795+824 m，由左右兩幅橋組成。地面標高150.16 m～251.48 m，主橋墩高約為61 m～84 m，于2009年12月建成通車。為大橋建立一個長期健康監測系統，對掌握橋梁的安全使用狀況，確保大橋的安全運營和服務管養有非常重要的意義。我司使用新研發的基于DTU[1]的數據采集程序和基于B/S流式大數據健康監測系統[2]完成了河東特大橋健康監測軟件系統的建設，建成后的健康監測系統具有高實時性、通用性強等特點。

2 軟件系統需求分析與設計

隨著物聯網技術的發展，物聯網設備[3]（如傳感器、采集儀）在橋梁結構健康監測中得到了廣泛使用，由于不同廠家的物聯網設備有不同的采集數據協議如485協議、232協議，即使相同的協議，采集命令和返回結果也不同，因此在橋梁結構健康監測軟件系統的設計開發過程中，常需要修改或重新設計采集程序，增加了成本。為解決這些問題，本系統采集端基于DTU通訊，構建了設備庫和自有的數據傳輸協議，并通過基于storm的流式大數據處理程序提高了系統實時性。系統結構如圖1所示，由物聯網設備和部署在云平臺上的配置程序、采集程序、基于storm流式大數據集群處理程序和展示程序組成。采集程序通過無線網絡向通訊單元（DTU）發采集命令，通訊單元向采集儀轉發采集命令，并將采集儀返回的結果轉發給采集程序，采集程序對結果處理后提交到分布式消息隊列中，基于storm的流式大數據集群處理程序從分布式消息隊列獲取數據，進行實時處理，將處理后的數據存儲到分布式緩存和數據庫中，數據展示程序從分布式緩存和數據庫中獲取數據，并做實時展示。本文將重點介紹配置程序和采集程序。

2.1 配置程序

為支持不同的設備（傳感器、采集儀和通訊單元DTU），本系統提出并構建了設備庫。設備庫是用來管理不同廠家不同型號的傳感器、采集儀和通訊單元。在設備庫里創建這些設備時，要提供設備的基本信息和采集信息。對于采集儀主要包括類型、波特率、數據位、采集命令和返回結果等。配置程序提供了模板語言描述采集命令和采集結果。采集程序內置了設備庫里一些設備采集過程的處理程序。

配置程序將橋梁健康監測系統抽象為傳感器、采集儀、通訊單元及它們間的關系，并提供了相關的配置功能。它們間的關系可理解為一個橋梁健康監測軟件系統是一個項目，一個項目包括多個通訊單元，一個通訊單元包括多個采集儀，一個采集儀可以連接多個傳感器。

2.2 采集程序

采集程序部署在云平臺主機（如阿里云主機）上。采集程序啟動后，從配置程序獲取項目的配置信息如一個項目有哪些通訊單元，一個通訊單元由哪些采集儀組成。并啟動socket監聽端口。當接收到來自通訊單元（DTU）的連接請求后，根據配置程序返回的相關采集儀的配置信息，向DTU發送采集命令，DTU將采集到的結果返回給采集程序，采集程序對數據處理后，以自定義的數據傳輸協議發送到分布式消息隊列中，基于storm流式大數據集群處理程序從分布式消息隊列中獲取數據并進行處理。

在這一過程中，為使流式處理程序具有通用性，采集程序使用自定義的數據傳輸協議來傳輸數據。自定義的數據傳輸協議里數據是由數據包組成;數據包由包頭和數據組成。

包頭由數據傳輸方式（3個字節）、廠家編碼（3個字節）、分隔符和采集協議（3個字節）組成如DTUKLM.485。數據傳輸方式有DTU和網絡（NET）兩種。DTU的英文全稱是Data Transfer unit，專門用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備;廠家編碼用來表示不同廠家的代碼如昆侖海岸KLM;分隔符使用點（.）來表示;采集協議是指采集程序獲取采集儀的協議如485表示485協議。

數據包里的數據包括采集儀id、采集時刻和通道數據。采集儀id用來唯一標識采集儀設備，由配置程序在創建時生成。采集時刻是自1970年1月1日到采集時經歷的毫秒數，用time表示。數據用data表示，是各個通道上的數據，每個通道用no來表示，同一通道上多個數據使用serial來區分。val表示對應的數據。本項目為低頻（小于1hz）采集，數據是以json字符串的形式傳輸的如：DTUKLM.485{"id"："5f0c17f5c7dc23836ecc557d"，"time"：1613635207031，"data"：[{"no"：1，"serial"：1，"val"："004691"}，{"no"：2，"serial"：1，"val"："005257"}]}表示id為5f0c17f5c7dc23836ecc557d的采集儀在北京時間2021年2月18日16點00分07秒采集到的2個通道的數據，通道1數據為4 691，通道2為5 257。

3 結論

本文介紹了河東特大橋結構健康監測系統軟件設計過程，通過創建自有的設備庫，自定義的數據傳輸協議，實現了對不同廠家物聯網設備的支持，提升了系統的通用性，降低了成本;使用基于storm的流式大數據處理程序，提高了系統的實時性。當然，本系統還有較大的提升空間，如對配置程序的改動必須重啟采集程序，可通過在配置程序發生更改時使用消息機制通知采集程序來解決。

參考文獻：

[1]李秋慧，李潔，王傳敏，等.基于GPRS DTU的遠程可控水質監測船[J].電子技術與軟件工程，2021（5）：94-96.

[2]梁柱.基于大數據架構的橋梁健康監測云平臺[J].中國交通信息化，2020（6）：115-117.

[3]肖時輝，梅敏彰，唐孟雄，等.基于LoRa的城市立交橋遠程監測數據采集系統[J].公路，2021，66（2）：87-93.